Harmonische Antriebe

Die Drehbewegung erfolgt über eine Eingangswelle, die beispielsweise eine Servomotorachse sein kann. Dies ist mit einem Element namens „Wellenerzeugung“ verbunden, das eine elliptische Form hat und von einem elliptischen Kugellager umschlossen ist. Wenn sich die Welle dreht, ändern die Kanten ihre Position, sodass es aussieht, als würde eine Bewegungswelle erzeugt. Dieses Teil wird in einen Flex-Spline eingesetzt, der aus einem torsionssteifen und dennoch flexiblen Material besteht.

Das Material nimmt diese Wellenbewegung auf, indem es sich entsprechend der Drehung der Eingangswelle biegt und außerdem eine elliptische Form erzeugt. Die Außenkante dieses Flex-Splines ist mit einer Verzahnung versehen, mit der auch hohe Lasten problemlos übertragen werden können. Um diese Lasten zu übertragen, ist der Flex Spline in den Circular Spline eingebaut, ein rundes Zahnrad mit Innenverzahnung.

Dieser Außenring ist starr und sein Innendurchmesser ist geringfügig größer als die Hauptachse der durch den Flex-Spline gebildeten Ellipse. Dies bedeutet, dass der Circular Spline nicht die elliptische Form der beiden anderen Komponenten annimmt, sondern lediglich seine Innenzähne mit denen der äußeren Flex-Spline-Seite kämmt, was zu einer Drehung des Flex-Splines führt.

Die Drehzahl hängt von der Drehung der Eingangswelle und dem Unterschied in der Zähnezahl zwischen Flex-Spline und Circular-Spline ab. Der Flex-Spline hat weniger Zähne als der Circular-Spline, sodass er sich mit einem deutlich geringeren Übersetzungsverhältnis und in die entgegengesetzte Richtung als die Eingangswelle drehen kann. Das Untersetzungsverhältnis ergibt sich aus: (Anzahl der Flex-Spline-Zähne – Anzahl der Circular-Spline-Zähne) / Anzahl der Flex-Spline-Zähne.

Wenn der Flex-Spline beispielsweise 100 Zähne und der Zirkular-Spline 105 Zähne hat, beträgt das Untersetzungsverhältnis (100 - 105) / 100=-0.05, was bedeutet, dass das Flex-Spline-Verhältnis -5/100 beträgt (Minus gibt die entgegengesetzte Drehrichtung an). Der Unterschied in der Anzahl der Zähne kann geändert werden, um unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen und damit unterschiedlichen speziellen Bedürfnissen und Anforderungen Rechnung zu tragen.

Ein grundlegender Harmonic Drive besteht aus drei Elementen: einem kreisförmigen Spline, einem Flexspline und einem Wellengenerator. Der kreisförmige Spline verfügt über Innenzähne, die mit den Außenzähnen des Flexspline kämmen. Der Flexspline hat weniger Zähne und daher einen kleineren effektiven Durchmesser als der Circular Spline.

Der Wellengenerator hat eine elliptische Form und fungiert als Verbindung mit zwei Rollen, die sich innerhalb des Flexspline drehen, wodurch dieser nach und nach an diametral gegenüberliegenden Punkten mit dem kreisförmigen Spline kämmt. Wenn sich der Wellengenerator (der Eingang) im Uhrzeigersinn dreht, während der kreisförmige Spline fixiert ist, dreht oder rollt der Flexspline (der Ausgang) innerhalb des kreisförmigen Splines viel langsamer gegen den Uhrzeigersinn.

Das Verhältnis der Antriebsdrehzahl zur Abtriebsdrehzahl hängt von der Differenz der Zähnezahl beim Circular Spline und beim Flexspline ab. Geschwindigkeitsverhältnisse von bis zu 320 zu 1 können mit einfach untersetzten Harmonic Drives erzeugt werden, die leichter, kleiner und effizienter sind als herkömmliche Antriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis. Verbundantriebe können Übersetzungsverhältnisse von bis zu 1.000.000 zu 1 erzeugen. Entweder der Circular Spline, der Flexspline oder der Wellengenerator können fest sein, während die anderen beiden Elemente als Eingang und Ausgang dienen.

Eine einzigartige und nützliche Eigenschaft des Harmonic Drive ist seine Fähigkeit, Bewegungen durch versiegelte Wände zu übertragen. Die Flexspline-Zähne können nahe der Mitte eines langen, hermetisch verschlossenen flexiblen zylindrischen Rohrs platziert werden. Der Wellengenerator kann sich innerhalb des Rohrs befinden und durch seine Drehung den Flexspline auslenken und eine langsame Drehung des umlaufenden kreisförmigen Splines erzeugen.

Eine rotierende -zu-lineare Version des Harmonic Drive verwendet eine Schraube und bewegt den Steuerstab in einem Kernreaktorkopf ohne mechanischen Kontakt durch ein versiegeltes Rohr. Harmonic Drive-Systeme eignen sich zur Erhöhung des Ausgangsdrehmoments in Getrieben, die beim Fräsen, in der Fertigung und in Maschinen mit Roboterarmen verwendet werden. Sie wurden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die von kostengünstigen Konsumgütern wie Verkaufsautomaten bis hin zu hochentwickelten Systemen für Militär- und Luft- und Raumfahrtzwecke reichen.

Harmonic-Drive-Getriebe werden häufig in Raumfahrtanwendungen, in der Robotik und in Präzisionspositionierungssystemen eingesetzt, da sie attraktive Eigenschaften haben, darunter nahezu spielfreies Getriebe, hohes Untersetzungsverhältnis, kompakte Größe und geringes Gewicht. Sie weisen einen inhärenten periodischen Positionierungsfehler auf, der als kinematischer Fehler bekannt ist und für eine Verschlechterung der Übertragungsleistung verantwortlich ist.

Sie verfügen über ein klares Verständnis der Mechanismen von Bewegungsfehlern und ihrer Charakterisierung. Wir berichten über analytische und experimentelle Ergebnisse von Bewegungsfehlern mithilfe einer speziellen Studie zu Prüfgeräten für harmonische Antriebe. Zunächst wird gezeigt, dass der als kinematischer Fehler bezeichnete Fehler tatsächlich aus einer Grundkomponente besteht, die den „reinen“ kinematischen Fehler darstellt und durch eine zweite Komponente gefärbt wird, die sich aus der inhärenten Torsionsflexibilität der harmonischen Antriebsräder ergibt.

Die letztgenannte Komponente erklärt die Ursache der Variabilität in veröffentlichten kinematischen Fehlerprofilen. Die Zerlegung des kinematischen Fehlers in eine Grundkomponente und eine flexibilitätsbezogene Komponente wird sowohl experimentell als auch analytisch demonstriert, indem ein mathematisches Modell mit experimentellen Daten abgeglichen wird. Wir charakterisieren auch die Abhängigkeit des kinematischen Fehlers von der Trägheitslast, der Getriebeanordnung und der Drehzahl.